(РК) силовым путем воздействуют на поток воздуха, увеличивая его скорость (кинетическую энергию), которая на выходе из лопаток за счет диффузорного эффекта (расширения) переходит в энергию давления. Выпуклая часть профиля лопатки называется спинкой, а вогнутая – корытцем.

6.3. Планы скоростей в лопатках компрессора и турбины

На р с. 6.8 показано изменение направления скоростей потока воздуха (план скоростей) на выходе из неподвижных направляющих лопаток (А) входе на рабочие подвижные лопатки (Б) и выходе из них.

Рис. 6.8. Планы (треугольники) скоростей компрессора на входе в рабочие лопатки (Б) и выходе из них

63

В направляющий аппарат (он неподвижен, U = 0) воздух входит в осевом направлении (СО), а выходит с абсолютной скоростью С1, изменив направление. Для определения величины и направления данного вектора скорости необходимо знать направление и величину относительной скорости W1. Она всегда касательна к поверхности лопатки (к корытцу). Её величина зависит от площади проточной части на входе и выходе из направляющего аппарата, массового секундного расхода воздуха и плотности воздуха. Рассмотрим движение потока воздуха только между лопатками направляющего аппарата.

Прин маем, что лопатки направляющего аппарата имеют одинаковые площади проходной части на входе и выходе. По этой причине считаем,

При данных параметрах ρ1 = 1,165 кг/м3.

При диаметре диска 0,3 м, высоте лопаток 0,1 м (с учетом заграж-

дающей площади лопаток) площадь проточной части рабочих лопаток аппарата (F ) составит 0,07 м2. Площадь проточной части направляющего аппарата принимаем1 равной площадиДпроточной части рабочих лопаток.

При массовом секундном расходе воздуха М1 = 20 кг/с величина относительной скорости составит

лее с учетом величины и направления векторов скоростей U и W1 строим две стороны будущего треугольника скоростей. Соединяя концы векторов

Камера сгорания – устройство, в котором происходит непрерывное сгорание топлива при р = const в потоке сжатого рабочего тела (воздуха). В результате чего к газу подводится теплота и увеличивается его температура до 2500 К. На рис. 6.9 показана схема КС трубчатого типа [6].

Продукты сгорания на выходе из КС должны иметь температуру, не превышающую допустимую. При этом в газе не должно быть сажи, час-

64

тиц кокса, так как они вызывают загрязнение и эрозию проточной части газовой турбины.

При горении жидкого топлива в ядре факела развивается температура около 2500 К. Такую высокую температуру, применяемые в турбостроении материалы, выдержать не могут.

СиР с. 6.9. Схема камеры сгорания ГТУ:

1 – топл вопровод; 2 – воздухонаправляющее устройство

Д= 4 – 5, для стационарных ГТУ = 6 – 10 ( И= 1, когда 1 часть топлива

смешивается с 15 частями воздуха).

На рис. 6.10 показана КС с зоной горения топлива и зоной смешения газов высокой температуры с холодным воздухом.

Газовая турбина – машина, в которой кинетическая энергия выходящего газа из сопла камеры сгорания превращается в механическую работу на лопатках турбины.

Взависимости от кратности использования рабочего тела (газа) различают газотурбинные установки (ГТУ) открытого и закрытого цикла.

ВГТУ открытого цикла наружный воздух после однократного осуществления рабочего процесса – сжатия, подвода теплоты (сгорания топли-

65

ва), расширения выбрасывается в атмосферу. Последующие циклы происходят с новыми порциями рабочего тела (воздуха и топлива).

В ГТУ закрытого цикла рабочее тело не меняется, а многократно сжимается, подогревается, расширяется и охлаждается, причем подогрев и охлаждение рабочего тела осуществляются в теплообменных аппаратах поверхностного типа. Рабочее тело не смешивается с продуктами сгора-

Сния топлива и окружающим воздухом. и

Рис. 6.10. ОбщийбАвид камеры сгорания: 1 – завихритель воздуха; 2 – форсунка для подачи топлива; 3 – воспламенитель; 4 – корпус камеры; 5 – жаровая труба; 6 – зона смешения холодного воздухаДс горячими газами; 7 – зона смешения

топлива с воздухом

Наибольшее распространение на транспорте и в промышленности получили только ГТУ открытого цикла.

На рис. 6.11 показано сечение сопла и решёток профилей рабочих и направляющих лопаток турбины. Рабочее колесоИтурбины вращается, а направляющее колесо неподвижно. На решётках в точках входа и выхода указаны планы (тругольники) скоростей, в которые входят окружная скорость U, относительная скорость W (касательная к поверхности лопатки), абсолютная скорость C , углы α и β между векторами скоростей C и W и линией, перпендикулярной оси вращения турбины.

Окружная скорость U остается неизменной, а величины относительной W, а вместе с ней абсолютной скорости C уменьшаются. В процессе обтекания криволинейных поверхностей рабочих лопаток поток газа изменяет направление движения и уменьшается по величине свою скорость. Согласно закону сохранения энергии снижение кинетической энергии переходит в потенциальную энергию давления. Давление, действуя на пло-

66

щадь лопатки, создает силу. Сила, умноженная на плечо (радиус вращения), создаёт крутящий момент, который приводит во вращательное движение колесо и вал турбины.

СибАДИРис. 6.11. Плоская решетка профилей и треугольники скоростей для рабочих и направляющих лопаток турбины: W – скорость касательная к поверхности лопатки

(относительная скорость); U – окружная скорость; C – абсолютная скорость

Рабочий процесс простейшей ГТУ с одной ступенью компрессора и одной ступенью осевой турбины в координатах р – V представлен на рис. 6.12.

Заштрихованная площадь вертикальными линиями b34а численно равна работе расширения в газовой турбине (турбина вращает компрессор). Линия 4 –1 в реальном процессе условно изображает замещение отработавших газов новой порцией рабочего тела. На участке 2 – 3 теплота подводится, а на участке 4–1– отводится. Площадь, ограниченная линиями цикла 12341, равна разности работ расширения в газовой турбине и сжатия в компрессоре, представляет собой полезную работу газотурбиной установки, которая используется для привода устройств (электрических генераторов, нагнетателей и других потребителей).

67

Для эффективной работы ГТД необходима высокая температура газов перед турбиной. Высокая температура газов перед турбиной затрудняет ее использование и обусловливает применение жаропрочных сталей и сплавов. Особенно тяжелы условия работы лопаток газовой турбины. Для понижения температуры лопаток и ротора их охлаждают. Вследствие этого может быть существенно повышена начальная температура газов перед

Стурбиной (при тех же самых материалах), что приводит к значительному увеличению КПД ГТУ. Наибольшее распространение получило воздушное охлажден е продувкой сжатым воздухом специальных каналов.

и бА

Рис. 6.12. Рабочий процесс (цикл) ГТУДв координатах р – V (давление – объём): 1–2 – процесс сжатия в компрессоре; 2 – 3 –Ипроцесс сгорания и

подвод теплоты сгорания в КС; 3–4 – процесс расширения; 4–1 – отвод теплоты

В ГТУ простейшей схемы отработавшие газы после расширения в турбине выбрасываются в атмосферу с высокой температурой, что является одной из причин низкой экономичности ГТУ. Часть теплоты уходящих газов можно использовать в теплообменных аппаратах-генераторах, в которых теплота передается сжатому компрессором воздуху.

Поверхность нагрева регенераторов образуют большое число труб малого диаметра или волнообразные пластины. По каналам между двумя волнистыми пластинами проходит нагреваемый воздух. С внешней стороны стенки этих каналов омываются отработавшими газами турбин.

68

ГТУ получили распространение в металлургической промышленности, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в качестве судовых двигателей. Перспективно применение газовых турбин в качестве вспомогательных агрегатов (наддув) в поршневых и реактивных двигателях.

ГТД имеют ряд преимуществ перед поршневыми двигателями: рабочие органы совершают в них только вращательное движение и легко СибАДИуравновешиваются; характеристика крутящего момента протекает весьма благоприятно (с уменьшением частоты вращения крутящий момент резко возрастает), что позволяет упростить конструкцию коробки передач; могут работать на любом малосернистом жидком или газообразном топливе с больш м збытком воздуха, поэтому продукты сгорания их имеют меньшую концентрац ю токсичных веществ; легко запускаются при низ-

ких температурах отл чаются ольшой габаритной мощностью. Однако газовые тур ны пока уступают по экономичности поршне-

вым ДВС, особенно при ра оте с неполной нагрузкой, и отличаются большой тепловой напряженностью лопаток рабочего колеса, обусловленной х непрерывной ра отой в среде газов с высокой температурой. При снижен температуры газов, поступающих в турбину, для повышения надежности лопаток уменьшается мощность и ухудшается экономичность турбины. Без теплоо менника ГТД имеют низкую экономичность, существующие теплоо менники громоздки и сложны в изготовлении. Рабочая частота вращения вала тяговой турбины составляет 30 – 50 тыс. в минуту, что усложняет трансмиссию автомобиля. ГТД сложны и дороги в производстве.

Для осуществления высокоэффективного ГТД необходимо решить проблемы: металловедческую, связанную с изысканием жаропрочных сплавов, аэродинамическую, заключающуюся в усовершенствовании проточных частей газовой турбины и осевого компрессора.

Повышение эффективности использования газотурбинного привода может осуществляться не только за счет повышения экономичности самого двигателя (повышение температуры газов перед турбиной, применение регенерации теплоты отходящих газов или использование других теплотехнических мероприятий), но и за счет широкой утилизации отходящих газов турбины. В частности, теплота отходящих газов ГТУ может быть эффективно использована на отопление помещений.

Применение жаростойких материалов и охлаждение лопаток, усовершенствование термодинамических схем ГТД позволяют улучшить их показатели и расширить область использования.

69

Содержание отчета

1. Название работы.

2. Цель и задачи работы.

3. Вычертить схему и дать описание принципа работы газотурбинной установки.

4. Дать описание принципа работы осевого компрессора. Построить план ско-

оставляют их постоянного сечения в направляющем аппарате или рабочем колесе? 10. Укажите область применения ГТУ, их преимущества недостатки по

сравнению с поршневыми ДВС.

70